虽然太空船能借恒星识别方位,但要准确掌握离开地球多远、行经何处,通常仍需依赖地面以电波精密关注。不过NASA新视野号(New Horizons)团队成员利用这艘距地超过88亿公里的探测船,成功示范仅用星野形象即可判定方向与位置的导航法。

太空船越深入太空,从其所见恒星位置会开始偏离地球看到的位置。一艘航行至银河系深处的太空船可借这种视差效应产生的偏移,来定位自己相对邻近恒星的位置。新视野号已飞行至够遥远的距离,首次真实示范星际导航的可行性。

自2006年发射,新视野号飞越冥王星与古柏带天体Arrokoth,并在十年间逐步脱离太阳系,进入星际空间。2020年,新视野号科学团队同时从地球与太空观测拍摄邻近恒星比邻星(Proxima Centauri,距离地球4.2光年)与沃夫359(Wolf 359,距离7.86光年)周围星野。实验生动呈现新视野号从内太阳系飞往外太阳系时的视角变化。

2020年,新视野号科学团队同时重新视野号与地球拍摄了邻近恒星比邻星周围的星野形象。对这些形象中两颗恒星精确位置的进一步分析,让团队成功推算出新视野号相对于邻近恒星的3D空间位置。(Source:NASA/Johns Hopkins APL/SwRI)

2020年形象两颗恒星精确位置更进一步分析,新视野号团队成员成功推算出新视野号相对邻近恒星的3D位置,精度达约660万公里。本次星际导航示范的定位精度受限于长距离侦察相机(LORRI)角分辨率,原设计并非为高精度星位测量用途。据星空形象估算的新视野号距离为地日距离约47.1倍,与深空网络(Deep Space Network,DSN)关注所得46.9倍相差不大,天空方向误差也仅略小于满月大小区域。未来若有搭载高解析导航相机的深空任务,使用相同技术应能大幅提升定位精度。

2020年4月23日,新视野号根据自身拍摄比邻星与沃夫359星野形象,推算出的位置。重新视野号所见,比邻星与沃夫359的视位置相较地球所见位置明显偏移,这种现象源自“视差效应”。新视野号所见比邻星位置,显示它必定位于红线某处;沃夫359所见位置,则对应蓝线某点。这两条线的“交会处”指出新视野号的估计位置。(3D空间这两条线并不真正相交,但非常接近。)图中白线为新视野号2006年发射以来,据NASA深空网络(Deep Space Network,DSN)关注的精确轨迹。轨道标记点表示发射年份。也标示木星、土星、天王星、海王星与冥王星轨道。距离单位为AU。(Source:NASA/Johns Hopkins APL/SwRI/Matthew Wallace)

目前包括新视野号等多数行星际探测器,皆由NASA深空网络负责关注,由多座电波望远镜组成。科学家计算无线电信号往返所需时间,能以极高精度计算探测器与地球间的距离。若同时由地球两侧的DNS观测,也可得知探测器方向。新视野号这项开创性导航实验证明深空任务能利用搭载的成像系统自行导航,虽然这项技术尚不及NASA地面无线电关注精度,但对未来深入太阳系边陲或前往星际空间任务,都有极高实用价值。

(首图来源:Pixabay)